“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)思考

摘?要：“應(yīng)用光學(xué)”是光學(xué)領(lǐng)域非常核心的一門課程，具有很強(qiáng)的實用性，對于培養(yǎng)光學(xué)工程以及相關(guān)方向的人才具有重要意義。本文基于近年來該門課程在電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)實踐活動和課程調(diào)研，提出了一些問題和一些針對性的改革措施，包括適當(dāng)?shù)卣{(diào)整“應(yīng)用光學(xué)”課程的課上授課內(nèi)容，增加課后自主學(xué)習(xí)內(nèi)容、建立課程模擬系統(tǒng)，加大課程的過程考核以及開展合作培養(yǎng)模式等。通過課程的改革探索，對于提高教學(xué)效果和培養(yǎng)面向未來的光電人才都是有益的。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用光學(xué)；教學(xué)改革；過程考核；合作培養(yǎng)

1?概述

光學(xué)作為物理學(xué)的一個重要學(xué)科方向，是隨著物理學(xué)的發(fā)展逐漸發(fā)展成熟的。人類對于光的探索和應(yīng)用，有著非常悠久的歷史。近年來，光學(xué)的應(yīng)用更是滲透到了生活的方方面面，比如常見的各種眼鏡、隨處可見的掃碼技術(shù)以及光刻機(jī)等。光學(xué)的前沿研究也非常活躍，形成了一系列分支領(lǐng)域，如微納光學(xué)、信息光學(xué)、量子光學(xué)等［16］。光學(xué)的研究和應(yīng)用在工業(yè)、國防等領(lǐng)域都有著重要意義。培養(yǎng)合格的人才是大學(xué)的主要任務(wù)之一，而課程在培養(yǎng)人才的過程中起著關(guān)鍵作用，因此課程的設(shè)計和研究就顯得非常有意義。

2?課程背景

“應(yīng)用光學(xué)”屬于光學(xué)的一個重要學(xué)科分支，但是又和基礎(chǔ)的光學(xué)課程有著明顯的區(qū)別。基礎(chǔ)的光學(xué)課程一般包括“物理光學(xué)”和“幾何光學(xué)”，偏重于探尋的光的本質(zhì)和光學(xué)傳播現(xiàn)象，而“應(yīng)用光學(xué)”課程則是基于“幾何光學(xué)”，偏向于如何利用光。簡單講，“應(yīng)用光學(xué)”課程是從“幾何光學(xué)”出發(fā)，理解光線的傳播，特別是近軸近似情況下的傳播，使得相關(guān)專業(yè)的學(xué)生能夠掌握光學(xué)系統(tǒng)的成像特征以及理解光學(xué)系統(tǒng)的像差和相關(guān)的計算，最終能夠利用所學(xué)內(nèi)容理解實際的光學(xué)系統(tǒng)，并且能夠進(jìn)行一定光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。總之，“應(yīng)用光學(xué)”作為光學(xué)的一個重要學(xué)科方向，涉及應(yīng)用光的各個方面，具有非常重要的理論價值和實踐意義［7］。

接下來，我們探討“應(yīng)用光學(xué)”的課程內(nèi)容。對于不同的專業(yè)和不同學(xué)校，同一門課程根據(jù)學(xué)生和專業(yè)特點往往會有一些差別，我們以北京化工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，探討該門課程的內(nèi)容。首先為“幾何光學(xué)”基礎(chǔ)部分。第一，需要講授“幾何光學(xué)”的基本定律和成像的概念，這部分內(nèi)容為“幾何光學(xué)”的基礎(chǔ)內(nèi)容；第二，需要講解球面和共軸球面系統(tǒng)，包括光線經(jīng)過單個折射面的傳播以及經(jīng)過共軸球面系統(tǒng)的傳播等內(nèi)容；其次是理想光學(xué)系統(tǒng)。第一，該部分介紹光學(xué)系統(tǒng)中常見的一些參數(shù)的定義和計算方法，如焦點、焦距等；第二，在該部分中還會介紹到平面鏡、平面系統(tǒng)以及光學(xué)系統(tǒng)中的光闌，包括孔徑光闌、視場光闌和漸暈光闌，此外還有景深等成像光學(xué)系統(tǒng)中經(jīng)常會涉及的概念和計算方法；第三，光能涉及的一些概念和定義，比如光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光照度、光亮度等內(nèi)容。再次為像差理論部分。第一，講授光線的光路計算，分為子午面內(nèi)的光線光路計算、軸外點的細(xì)光束的光路計算和空間光線的光路計算，為像差的計算打好基礎(chǔ)；第二，介紹光學(xué)系統(tǒng)中的像差，包括球差、彗差、像散、場曲、畸變和色差等，該部分中重點讓學(xué)生掌握球差和彗差的計算。最后為常見的光學(xué)系統(tǒng)。該部分主要包括人眼系統(tǒng)、放大鏡、望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡系統(tǒng)，通過該部分內(nèi)容讓學(xué)生了解常見的光學(xué)系統(tǒng)以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的過程。此外，除了上述課程內(nèi)容外，在我們選定的教材里面，實際上還介紹了很多內(nèi)容，如攝影和投影系統(tǒng)、光電接收器和光學(xué)設(shè)計等［8］。從課程內(nèi)容上看，“應(yīng)用光學(xué)”課程內(nèi)容是非常豐富的，也比較容易擴(kuò)展；此外也可以發(fā)現(xiàn)，課程內(nèi)容對理論基礎(chǔ)和計算要求都比較高。

到目前為止，我們已經(jīng)對“應(yīng)用光學(xué)”的范圍和課程內(nèi)容進(jìn)行了簡單介紹，可以看出“應(yīng)用光學(xué)”課程具有內(nèi)容范圍廣、工程屬性強(qiáng)的特點，那么有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，就需要不斷地進(jìn)行教學(xué)探索和改革。首先，該門課程的授課對象為北京化工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的大三學(xué)生，課程性質(zhì)為專業(yè)選修課，作為大三的學(xué)生，已經(jīng)有了一定的專業(yè)基礎(chǔ)，但是按照近幾年的教學(xué)經(jīng)驗來看，學(xué)生在光學(xué)知識儲備方面仍然略顯不足。其次，該門課程的學(xué)時設(shè)置僅為32學(xué)時，而從前面的討論中，我們可以發(fā)現(xiàn)該門課程內(nèi)容是比較多的，如何在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到課程目標(biāo)，對教師和學(xué)生都有很大的挑戰(zhàn)。最后，“應(yīng)用光學(xué)”在很多學(xué)校都屬于專業(yè)必修課，盡管在我們專業(yè)目前課程性質(zhì)為選修課，但是對于實現(xiàn)培養(yǎng)面向未來的光電人才的專業(yè)目標(biāo)，該門課程的重要性也是毋庸置疑的。因此，作為授課教師，對于課程進(jìn)行持續(xù)性的探索和改革就非常有必要。

3?課程調(diào)研

為了更好地進(jìn)行課程的改革和實踐，我們針對最近的一次選課學(xué)生進(jìn)行了課程調(diào)研。該次調(diào)研我們是安排在課程內(nèi)容完成以后進(jìn)行的，即在學(xué)生學(xué)習(xí)完課程內(nèi)容以后開展，這樣可以更好地從學(xué)生角度了解一些課程的信息。

本次調(diào)研總共有23位學(xué)生參與，首先，我們分析下學(xué)生對于課程重要性的認(rèn)識。本次調(diào)研的結(jié)果顯示，經(jīng)過一學(xué)期的課程的學(xué)習(xí)以后，總共有11位同學(xué)認(rèn)為課程非常重要，有8位同學(xué)認(rèn)為比較重要，剩余4位同學(xué)認(rèn)為一般。該結(jié)果說明通過課程的學(xué)習(xí)大概有50%同學(xué)認(rèn)為課程對自己是非常重要的，對自己有幫助；同時也說明80%左右的學(xué)生都認(rèn)可課程內(nèi)容。但是，我們?yōu)槭裁丛诖藦?qiáng)調(diào)是經(jīng)過課程學(xué)習(xí)以后的結(jié)果？因為從近年來課程的選課情況來看，實際上在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容之前，不少學(xué)生并未認(rèn)識到課程的重要性。

接下來，我們通過本次調(diào)研探討課程的難點內(nèi)容。本次調(diào)研的結(jié)果顯示，有50%左右的學(xué)生都覺得光路計算和像差理論最難掌握；有13%左右學(xué)生認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)最難掌握；此外，還有學(xué)生認(rèn)為公式多、畫圖、光闌、望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡比較難掌握；最后還有10%左右的學(xué)生認(rèn)為課程內(nèi)容都難。該結(jié)果為我們的教學(xué)實踐和教學(xué)改革提供了一定依據(jù)，可以更好地安排教學(xué)活動，幫助學(xué)生掌握課程難點。此外，我們還調(diào)研了學(xué)生每周課后在該課程上的投入時間，結(jié)果顯示70%左右的學(xué)生每周在課后能留出2～4個小時學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，這個時間包括完成作業(yè)的時間，剩余30%的學(xué)生大部分每周花的時間都少于2小時。總之，該結(jié)果明顯可以看出學(xué)生課后在課程上的投入不夠，而這會大大影響教學(xué)效果。

最后，我們在該次調(diào)研的結(jié)尾還讓學(xué)生寫出了自己的收獲，比如一些比較典型的：知道了基本的光學(xué)系統(tǒng)原理和光路圖，能夠利用計算和作圖法分析簡單的光學(xué)系統(tǒng)；對一些典型的光學(xué)系統(tǒng)有了深刻了解，掌握了各種光學(xué)儀器分析參數(shù)；和物理光學(xué)相比能更好地解決光學(xué)系統(tǒng)計算方面的問題。

4?課程改革

“應(yīng)用光學(xué)”的課程內(nèi)容相對比較多，而事實上如果我們?nèi)ズ瓦m用于光學(xué)工程等專業(yè)學(xué)科的課程內(nèi)容做比較［9］，就會發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)合格的光學(xué)設(shè)計方面的人才，還需要其他課程配合。考慮到我們課程的教學(xué)計劃只有32個學(xué)時，要在有限的時間內(nèi)完成課程內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)，我們就需要對課程內(nèi)容和課程安排不斷進(jìn)行改進(jìn)。此外，從以上討論中我們也可以看出來，為了更好地提高教學(xué)效果，還需要提升學(xué)生的主動性。總之，為了適合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)面向未來的光電人才，我們都需要解決好課程存在的一些問題，下面我們就針對課程的改革提出一些想法。

首先，進(jìn)行課程內(nèi)容改革，包括以下幾個方面：

（1）考慮到僅有32個學(xué)時課程，我們在授課時就需要突出重點，注意課程和其他相關(guān)課程的銜接，比如和普通物理課程內(nèi)容的銜接。我們原來在“幾何光學(xué)”的基本定律部分安排2個學(xué)時，而實際上此處講解的一些定律和原理，如反射定律、折射定律等在其他課程中都已經(jīng)學(xué)過，因此，在該部分的授課過程中我們可以以引導(dǎo)學(xué)生回顧和引入為主。此外，我們在介紹典型的光學(xué)系統(tǒng)部分內(nèi)容時安排了6個學(xué)時，那么我們可以嘗試將該部分授課學(xué)時進(jìn)行一定縮減，比如改成4個學(xué)時。同時對于內(nèi)容進(jìn)行一定調(diào)整，此處原來安排了4個學(xué)時的經(jīng)典的光學(xué)系統(tǒng)，可以調(diào)整為課堂上講授2個學(xué)時，另外2個學(xué)時可以節(jié)省下來，留出一些問題，然后讓學(xué)生帶著這些問題自學(xué)完成，同時也可以增加一個比較新的光學(xué)系統(tǒng)。這樣我們就可以將節(jié)約出來的2個學(xué)時調(diào)整到學(xué)生覺得很難掌握的部分，即光路計算和像差理論部分。

（2）光線的傳播屬于課程內(nèi)容的重點，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往會重視光路的各種公式計算，但是很難建立起實際的物理圖像，因此我們可以在講解理想光學(xué)系統(tǒng)的部分內(nèi)容時，利用計算機(jī)去展示在不同系統(tǒng)中的光線傳播，逐步建立適合該課程的模擬系統(tǒng)，這樣一方面方便學(xué)生建立物理圖像，另一方面也有益于學(xué)生更好地去理解光學(xué)系統(tǒng)中的物理概念，比如焦點、主點等。

其次，加強(qiáng)過程考核，我們的教學(xué)方式要從傳統(tǒng)的“以教為主”向“以學(xué)為主”轉(zhuǎn)換。在平時授課過程中，可以增加一些以問題為導(dǎo)向的自學(xué)、研討和調(diào)研內(nèi)容，通過問題引導(dǎo)的方式使學(xué)生在課堂之外增加課程的學(xué)習(xí)時間，同時通過解決問題，也可以提高學(xué)生對課程的自我滿足，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)興趣；此外，通過平時的過程考核引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，也可以逐步培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和解決問題的能力，包括問題歸納、文獻(xiàn)檢索和調(diào)研等。養(yǎng)成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，未來當(dāng)學(xué)生真正遇到相關(guān)問題，比如畢業(yè)后從事光學(xué)設(shè)計方面工作或者進(jìn)一步深造時需要搭建光學(xué)檢測方面的光路，那么就可以在課程的基礎(chǔ)上通過自主學(xué)習(xí)解決問題。當(dāng)然，過程考核也存在一些挑戰(zhàn)，比如如果學(xué)生人數(shù)比較多，具體開展就面臨非常大的工作量；此外，過程考核中的問題的設(shè)計也非常重要，需要盡可能地保證讓每一個學(xué)生都能主動參與進(jìn)去，同時教師也能夠根據(jù)結(jié)果進(jìn)行公平的考核。但是，考慮到過程考核的優(yōu)勢，加強(qiáng)過程考核的教學(xué)嘗試和改革都非常有必要。

再次，“應(yīng)用光學(xué)”是實踐性非常強(qiáng)的一門學(xué)科，在教學(xué)活動中可以嘗試增加實驗學(xué)時，這對于提高該門課程的教學(xué)效果會有非常積極的效果。以本人授課的專業(yè)為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程之前，往往在“應(yīng)用光學(xué)”方面的實驗經(jīng)驗是非常少的，基本只有大學(xué)物理實驗課程涉及的一些光學(xué)實驗經(jīng)驗，而這些實驗都是設(shè)計好的，學(xué)生能夠進(jìn)行主動設(shè)計和調(diào)整的機(jī)會很少。通過在課程中增加實驗學(xué)時，可以讓學(xué)生自己完成一些實驗設(shè)計和開展，比如簡單的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡系統(tǒng)，甚至激光光學(xué)系統(tǒng)，那么通過這些實驗的設(shè)計、光路調(diào)整、測量、觀察和報告的完成，這樣一方面明顯可以幫助學(xué)生更好地理解課程的內(nèi)容，比如光路計算等；另一方面，也可以為將來真正從事該方面工作打下比較好的基礎(chǔ)。

最后，培養(yǎng)面向未來的光電方面的人才，我們可以進(jìn)一步嘗試將光學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合起來，即通過課程、相關(guān)實驗室和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)界共同培養(yǎng)光學(xué)方面的人才。課程方面我們就不在此繼續(xù)贅述，科研實驗室培養(yǎng)方面，比如有光電需求的相關(guān)實驗室可以提供一些相對基礎(chǔ)的光學(xué)方面的實驗需求，我們可以將學(xué)生分組，進(jìn)入不同實驗室完成相關(guān)課題實驗，這樣可以幫助學(xué)生將學(xué)習(xí)內(nèi)容和科學(xué)研究聯(lián)系起來，進(jìn)一步加深學(xué)生對課程的理解，同時也能幫助學(xué)生了解學(xué)術(shù)上的需求。而在產(chǎn)業(yè)界，可以和相關(guān)的企業(yè)進(jìn)行合作，邀請有豐富實踐經(jīng)驗的工程人員來開展一些相關(guān)課程的報告，幫助學(xué)生了解產(chǎn)業(yè)界的需求。

結(jié)語

總之，基于近年來的“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)實踐經(jīng)驗和課程調(diào)研，我們在本文中提出了一些關(guān)于課程內(nèi)容和課程活動改進(jìn)的思路，相信對于課程的開展和實踐有一定的借鑒意義。在實際的教學(xué)活動中，我們也已經(jīng)進(jìn)行了一些改革嘗試，當(dāng)然，有些改革思路的實踐需要較長時間的探索和印證。但是無論如何，為了培養(yǎng)面向未來的合格的光電技術(shù)人才，我們都需要在教學(xué)活動中持續(xù)性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金：金屬納米結(jié)構(gòu)非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理和增強(qiáng)機(jī)制的研究（編號：11647021）

作者簡介：王本立（1986—?），男，漢族，陜西渭南人，博士，副教授，研究方向：微納光學(xué)。